伍 佳，黃西利，陳 快

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著智能制造策略提出，車身焊裝線正在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，機(jī)器人在車身焊裝線上得到廣泛應(yīng)用。車身焊裝線一般應(yīng)用6 自由度工業(yè)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜、面臨周邊設(shè)備的約束多，無(wú)法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行評(píng)判，需要專門(mén)的仿真軟件來(lái)進(jìn)行機(jī)器人仿真。機(jī)器人仿真技術(shù)在布局驗(yàn)證、工裝干涉檢查、工位聯(lián)動(dòng)分析、節(jié)拍分析、離線程序?qū)氲拳h(huán)節(jié)都起著重大作用。目前常用的機(jī)器人仿真軟件包括RoboGuide、Delmia、RobCad、PD/PS 等，能夠?qū)崿F(xiàn)從單個(gè)工位到整條生產(chǎn)線的機(jī)器人仿真。

機(jī)器人仿真是工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，焊裝線應(yīng)用的機(jī)器人數(shù)量和種類多，承擔(dān)的功能各不相同，仿真驗(yàn)證內(nèi)容差別很大，仿真時(shí)容易顧此失彼、抓不住重點(diǎn)。一旦機(jī)器人仿真有遺漏，將面臨現(xiàn)場(chǎng)更改工作量大、更改周期長(zhǎng)、甚至需要整個(gè)方案推倒重來(lái)的狀況，項(xiàng)目周期和成本難以控制。因此，提出機(jī)器人仿真的核心概念——可達(dá)性和通過(guò)性，可以迅速抓住仿真要點(diǎn)，并結(jié)合常用機(jī)器人功能，探討可達(dá)性和通過(guò)性驗(yàn)證的具體應(yīng)用。

1 自動(dòng)化工位構(gòu)成

一個(gè)自動(dòng)化工位包含工裝、機(jī)器人、焊鉗、抓手、修磨器、其他外圍設(shè)備等，機(jī)器人是整個(gè)工位的核心，工位的布局規(guī)劃需要圍繞機(jī)器人進(jìn)行。不同機(jī)器人的功能也不同，如搬運(yùn)、裝件、焊接、涂膠等。在同一功能里，還可以根據(jù)具體工作形式繼續(xù)細(xì)分，例如抓件又分從對(duì)中臺(tái)抓件、從普通料框抓件、從夾具上抓件等。圖1 為一個(gè)補(bǔ)焊工位示意圖，包含2 臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人和4 臺(tái)焊接機(jī)器人。

圖1 機(jī)器人工位示意

2 機(jī)器人的可達(dá)性和通過(guò)性

雖然不同機(jī)器人的仿真?zhèn)戎攸c(diǎn)不同，但是通過(guò)梳理，可以把大部分仿真工作歸納到兩種基本類型里，即可達(dá)性和通過(guò)性。

可達(dá)性，指的是機(jī)器人通過(guò)關(guān)節(jié)的協(xié)同工作，使末端工具點(diǎn)達(dá)到指定位置。不同機(jī)器人的可達(dá)范圍不同，一般可以在機(jī)器人資料中查看到可達(dá)范圍具體數(shù)值，也可以在仿真軟件里查看。需要注意的是，可達(dá)范圍只是初步評(píng)估。具體的還要結(jié)合機(jī)器人工具、工裝等進(jìn)行判斷。為了確?？蛇_(dá)性，需要給機(jī)器人預(yù)留一定的行程余量，一般預(yù)留5% ～ 10%[1，2]。一方面可以避免現(xiàn)場(chǎng)安裝累積誤差導(dǎo)致超出機(jī)器人可達(dá)范圍，另一方面避免機(jī)器人運(yùn)行時(shí)達(dá)到關(guān)節(jié)極限位置影響關(guān)節(jié)壽命。同時(shí)，進(jìn)行可達(dá)性評(píng)估時(shí)，還要關(guān)注機(jī)器人4、6 軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以避免機(jī)器人運(yùn)行時(shí)管線包拉扯或纏繞。

通過(guò)性，指的是機(jī)器人程序運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人與周邊設(shè)備之間有足夠的空間，供機(jī)器人本體及附件（如管線包、管線夾等）及其末端工具（如焊鉗、抓手及零件）通過(guò)。雖然部分仿真軟件具有干涉檢查或碰撞分析的功能[3，4]，然而實(shí)際工作環(huán)境中，不同情形需要的空間各不相同。會(huì)出現(xiàn)通過(guò)了軟件自帶干涉檢查或碰撞分析，卻無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試需要的情形。例如機(jī)器人焊鉗運(yùn)動(dòng)時(shí)，與周圍的距離要大于25 mm[5]；機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)，考慮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、急停時(shí)的抱閘延遲和抖動(dòng)等因素，搬運(yùn)路徑上機(jī)器人及抓手與周圍設(shè)備的距離要大于200 mm。因此，是否滿足通過(guò)性要求，仍然需要仿真工程師結(jié)合具體情況進(jìn)行判斷。

明確了可達(dá)性和通過(guò)性的概念及一般要求，就抓住了機(jī)器人仿真驗(yàn)證的關(guān)鍵點(diǎn)。在實(shí)際的焊裝線中，仿真時(shí)需要根據(jù)具體的功能對(duì)可達(dá)性和通過(guò)性進(jìn)行具體的展開(kāi)。

圖2 仿真環(huán)境里的機(jī)器人可達(dá)范圍

3 常用功能仿真驗(yàn)證重點(diǎn)

3.1 搬運(yùn)功能的仿真驗(yàn)證

搬運(yùn)是車身車間機(jī)器人的常用功能，根據(jù)搬運(yùn)物體、位置的差異，又可以細(xì)分為總成搬運(yùn)、零件搬運(yùn)?？偝砂徇\(yùn)，指的是把焊接好的焊接總成，從上一個(gè)工位搬運(yùn)到下一個(gè)工位上。零件搬運(yùn)，指的是把零件從料框抓取出來(lái)，并安裝到工位的焊合總成上。

3.1.1 總成搬運(yùn)

車身車間的焊接總成重量和尺寸大，使用機(jī)器人搬運(yùn)可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。總成搬運(yùn)機(jī)器人的可達(dá)性驗(yàn)證，首先需確保取件點(diǎn)、放件點(diǎn)可達(dá)。同時(shí)，工件為了從工裝的定位單元脫離，需要從取件點(diǎn)沿某一方向（一般是平行于定位銷方向）直線運(yùn)動(dòng)一段距離（≥50 mm）。因此，需要確保在取件點(diǎn)、放件點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人仍然有向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的余量。

總成搬運(yùn)機(jī)器人的通過(guò)性驗(yàn)證，需要驗(yàn)證以下內(nèi)容：

（1）在取件點(diǎn)或放件點(diǎn)，抓手打開(kāi)、關(guān)閉過(guò)程與工裝或輸送距離足夠；

（2）取件/放件后能沿X/Y/Z或其他單一方向脫離工裝或輸送；

（3）取件/放件過(guò)程中，抓手（包含打開(kāi)、關(guān)閉狀態(tài)）及零件與周邊設(shè)備距離足夠；

（4）取件/放件過(guò)程中機(jī)器人本體與周邊設(shè)備距離足夠。

其中，抓手打開(kāi)、關(guān)閉時(shí)與工裝的干涉是比較容易忽略的。圖3 為某車型的初始抓手設(shè)計(jì)方案，抓手與輸送無(wú)靜態(tài)干涉，但是抓手打開(kāi)時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)會(huì)與輸送干涉。為了避免此類問(wèn)題，需要仿真時(shí)確認(rèn)抓手打開(kāi)、關(guān)閉兩種狀態(tài)下是否干涉，并注意夾緊機(jī)構(gòu)打開(kāi)時(shí)的掃掠空間。

圖3 抓手打開(kāi)時(shí)與輸送干涉（虛線箭頭為打開(kāi)時(shí)掃掠示意）

3.1.2 零件搬運(yùn)

隨著自動(dòng)化率提高，越來(lái)越多機(jī)器人代替人工用于零件抓取和安裝。零件搬運(yùn)的仿真比總成搬運(yùn)要復(fù)雜得多，在取件端和裝件端因?yàn)楣ぱb形式不同，要考慮的因素也不同。

在取件端，根據(jù)零件對(duì)中定位方式不同，可以分為對(duì)中臺(tái)、積放式可移動(dòng)料框（以下簡(jiǎn)稱積放式料框）、積放鏈幾種方式。其中積放式可移動(dòng)料框可以兼顧裝件數(shù)量和切換靈活性，適用于前艙上邊梁等小總成上件[6]。

從積放鏈或者對(duì)中臺(tái)抓件，取件點(diǎn)的位置是唯一的。而視覺(jué)抓件或者從積放式料框抓件，零件數(shù)量不同，抓件位置也不同，進(jìn)行可達(dá)性驗(yàn)證時(shí)，最好逐一確認(rèn)每一個(gè)位置的可達(dá)性。若零件位置是連續(xù)的，機(jī)器人抓件時(shí)姿態(tài)相似，則可以只確認(rèn)首件、末件可達(dá)即可。抓件時(shí)，也同樣存在零件脫離銷子的過(guò)程，需要確保行程余量。

從對(duì)中臺(tái)或者積放鏈抓件，只有一個(gè)取件點(diǎn)，通過(guò)性檢查相對(duì)簡(jiǎn)單。若要從積放式料框中抓件，需要確認(rèn)抓取首件、末件時(shí)抓手與料框距離是否足夠。對(duì)于抓焊一體機(jī)器人，還需要檢查抓件時(shí)焊鉗與積放式料框、圍欄有足夠距離。其次，要檢查零件脫離銷子過(guò)程中，抓手、焊鉗等與積放式料框的距離是否足夠。另外，需要確認(rèn)抓件過(guò)程中抓手關(guān)閉過(guò)程距離是否足夠。圖4 為某車型抓手從前側(cè)板積放式料框抓件，抓手關(guān)閉過(guò)程，壓緊離相鄰的零件距離太小，現(xiàn)場(chǎng)若零件放不到位很容易發(fā)生干涉。

圖4 抓手關(guān)閉時(shí)與零件間距小

在裝件端，根據(jù)零件定位方式不同，可以分為機(jī)器人直接定位、線旁?shī)A緊定位、Docking 定位。前兩種定位方式在仿真時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于Docking 定位的方式，因?yàn)槎嗔俗ナ诌M(jìn)入或脫離Docking、Docking 夾緊打開(kāi)關(guān)閉等步驟，仿真驗(yàn)證時(shí)需要額外注意。

3.2 點(diǎn)焊功能的仿真驗(yàn)證

電阻點(diǎn)焊是車身車間的主要工藝。進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，前期一般只做粗略的焊接軌跡。在工裝數(shù)據(jù)基本鎖定后，才會(huì)完成詳細(xì)的焊接軌跡。在前期評(píng)估時(shí)，焊鉗可達(dá)性方面首先要確保所有焊點(diǎn)位置可達(dá)，且有一定行程余量。其次，需要檢查重要的過(guò)渡點(diǎn)是否可達(dá)。例如，對(duì)于喉深較大的X 型焊槍，若機(jī)器人底座正對(duì)焊接位置，有可能焊鉗進(jìn)出時(shí)尾部與機(jī)器人本體干涉，如圖5 所示。

圖5 焊鉗退出時(shí)與機(jī)器人本體有干涉風(fēng)險(xiǎn)

焊鉗通過(guò)性，除了要檢查在焊點(diǎn)位置時(shí)焊鉗與工裝、零件距離是否足夠，還要注意焊鉗進(jìn)出路徑上的關(guān)鍵過(guò)渡點(diǎn)是否存在焊鉗干涉的情況。如圖6 所示，焊接中央通道頂部焊點(diǎn)時(shí)，焊鉗進(jìn)出需要從大梁底部經(jīng)過(guò)，這是整個(gè)軌跡的最低點(diǎn)。需要確保經(jīng)過(guò)此點(diǎn)時(shí)，焊鉗與工裝之間有足夠的安全距離。如圖7 所示，焊鉗進(jìn)入過(guò)孔中焊接，不僅需要確認(rèn)焊接狀態(tài)時(shí)焊鉗與零件的安全間距，還需要確認(rèn)焊鉗下電極從過(guò)孔中通過(guò)時(shí)與零件的安全間距是否足夠。

圖6 中央通道頂部焊接

圖7 焊鉗通過(guò)過(guò)孔的空間不足

焊鉗焊接一定數(shù)量焊點(diǎn)后需要進(jìn)行電極修磨，因此同樣需要對(duì)修磨功能進(jìn)行可達(dá)性和通過(guò)性驗(yàn)證。

3.3 自動(dòng)涂膠功能的仿真驗(yàn)證

車身車間常用的機(jī)器人自動(dòng)涂膠有兩種形式，一種為膠槍固定，機(jī)器人抓著工件進(jìn)行涂膠；另一種為工件固定，膠槍安裝在機(jī)器人上進(jìn)行涂膠。前者一般用于門(mén)蓋內(nèi)板等體積比較小的分總成上，利用工位間搬運(yùn)機(jī)器人的等待時(shí)間進(jìn)行涂膠，設(shè)備利用率高，對(duì)尺寸精度的要求低。后者一般應(yīng)用于下車體等大總成上，可以允許多個(gè)機(jī)器人同時(shí)作業(yè)，對(duì)尺寸精度要求高。

涂膠軌跡與焊接軌跡不同，焊點(diǎn)是離散的，而涂膠軌跡是連續(xù)的。進(jìn)行涂膠可達(dá)性驗(yàn)證時(shí)，不可能在軌跡上每個(gè)點(diǎn)都驗(yàn)證，對(duì)于直線涂膠，一般取起止點(diǎn)和中間點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證即可；對(duì)于曲線涂膠，則可以多取幾個(gè)點(diǎn)。涂膠時(shí)，優(yōu)先確保膠槍與工件表面垂直。為了確保軌跡連續(xù)性或者機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)垂直姿態(tài)時(shí)，可以偏轉(zhuǎn)一定角度涂膠。機(jī)器人涂膠調(diào)試時(shí)，起膠/收膠位置容易堆膠，為避免此問(wèn)題，一般會(huì)在一段膠兩端的延長(zhǎng)線上增加過(guò)渡點(diǎn)，配合膠槍提前開(kāi)啟/關(guān)閉功能，確保涂膠尺寸均勻。因此，進(jìn)行可達(dá)性驗(yàn)證時(shí)，需要在涂膠起止點(diǎn)附近預(yù)留足夠的機(jī)器人行程余量。

自動(dòng)涂膠通過(guò)性驗(yàn)證，需要確保在涂膠過(guò)程中，膠槍與零件（翻邊、支架、螺柱等）無(wú)干涉。如圖8 所示，首先在前側(cè)板涂膠仿真驗(yàn)證時(shí)，需要確保膠槍與圖示支架、零件翻邊有足夠的安全距離。若使用固定膠槍，固定膠槍周圍需要有足夠空間，便于搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)入涂膠位置；其次，還需要檢查涂膠過(guò)程中，抓手、機(jī)器人本體、管線包與固定膠槍支架距離是否足夠。

圖8 前側(cè)板自動(dòng)涂膠示意

3.4 抓手或焊鉗切換功能的仿真驗(yàn)證

多車型柔性線在車型切換時(shí)，若部分工位的抓手、焊鉗無(wú)法兼容各個(gè)車型，需要進(jìn)行切換。抓手切換方式包括固定抓手放置架、活動(dòng)切換小車、帶Docking功能的夾具等。焊鉗切換時(shí)，一般放到固定放置架上。抓手或焊鉗切換的可達(dá)性驗(yàn)證，與搬運(yùn)基本相同。而抓手或焊鉗切換的通過(guò)性驗(yàn)證，需要重點(diǎn)確認(rèn)以下方面：（1）抓手或焊鉗切換路徑與周邊設(shè)備距離足夠；（2）抓手或焊鉗能沿X/Y/Z或其他單一方向放到或脫離放置裝置；（3）抓取、放下軌跡與放置裝置的防塵蓋打開(kāi)狀態(tài)距離足夠；（4）對(duì)于抓手，還要確保抓手在放置裝置上時(shí)，無(wú)論處于打開(kāi)狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，都要與周邊設(shè)備距離足夠。

4 機(jī)器人工位仿真分析案例

圖9 為車身線下車體某工位，左右各1 臺(tái)機(jī)器人。雖然機(jī)器人數(shù)量少，但是工藝內(nèi)容多，設(shè)備數(shù)量多，場(chǎng)地緊湊，稍有遺漏就容易導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)干涉，仿真難度很大。按照前述思路，可以根據(jù)工藝要求，梳理出該工位機(jī)器人承擔(dān)的具體功能為取件、自動(dòng)涂膠、裝件、焊接，在車型切換時(shí)要進(jìn)行抓手切換。明確了機(jī)器人具體功能后，分別按照對(duì)應(yīng)功能的仿真要點(diǎn)去一一進(jìn)行可達(dá)性和通過(guò)性驗(yàn)證，就可以確保仿真評(píng)估結(jié)果全面而準(zhǔn)確。

圖9 機(jī)器人少但仿真復(fù)雜的工位

圖10 為車身線前車體某工位，左右各2 臺(tái)機(jī)器人、1 臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，合計(jì)6 臺(tái)機(jī)器人。雖然機(jī)器人數(shù)量多，可是根據(jù)按照上述思路分析，機(jī)器人只承擔(dān)總成搬運(yùn)、點(diǎn)焊兩種功能，整個(gè)仿真工作反而相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

圖10 機(jī)器人多但仿真簡(jiǎn)單的工位

5 結(jié)語(yǔ)

焊裝線機(jī)器人種類和數(shù)量眾多，周邊設(shè)備復(fù)雜，機(jī)器人仿真時(shí)要考慮的因素多，仿真驗(yàn)證工作繁瑣。提出了機(jī)器人可達(dá)性和通過(guò)性概念，總結(jié)了可達(dá)性和通過(guò)性的一般驗(yàn)證要點(diǎn)，通過(guò)抓住機(jī)器人可達(dá)性和通過(guò)性兩個(gè)核心因素，可以快速抓住仿真驗(yàn)證重點(diǎn)。并結(jié)合典型實(shí)例，探討不同類型或功能機(jī)器人仿真時(shí)可達(dá)性和通過(guò)性驗(yàn)證的側(cè)重點(diǎn)和常見(jiàn)問(wèn)題。實(shí)際工位的機(jī)器人功能和面臨約束更加復(fù)雜，需要結(jié)合具體情況進(jìn)行具體分析。以上只是討論了機(jī)器人仿真的可達(dá)性和通過(guò)性，機(jī)器人仿真時(shí)還需要綜合考慮節(jié)拍、路徑、姿態(tài)等多種因素，才能高效率、高質(zhì)量地完成數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。